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为什么研究小小的基本粒子,要用巨大的加速器
2017-09-04 | 文章来源: 中国科普网 朱伟| 浏览次数:  |

  1979年9月4日,华裔美籍物理学家丁肇中领导的高能物理实验小组,在西德汉堡的一台高能加速器上找到一种新粒子——胶子。现在,让我们来了解一下,为什么研究粒子都要用加速器! 

  基本粒子是目前人们直接观察到的最小的粒子。

   

  基本粒子究竟有多么小?如果有一种放大镜能把乒乓球放大到地球那样大,按同样的放大倍数来看基本粒子,也不过像一只乒乓球那样大。把一万亿个基本粒子排成一列横队,叫这列横队齐步穿过缝衣针的小孔,也还绰绰有余。为了研究这小小的基本粒子,物理学家却动用了直径大到2千米的高能加速器,这是为什么呢?原来,在微观世界中,物质运动的规律同我们平时生活中所见到的完全不同。在宏观世界里,粒子运动的时候,总有一条明确的轨迹;波动则是以弥漫于空间的形式出现的。因此,粒子就是粒子,波就是波,谁也不会把它们混淆起来。

   

  20世纪初,当物理学家的研究深入到分子、原子以及更深的层次时,却发现这些微小的粒子,有许多奇怪的行为,不能用以往的经验来解释。法国有一位历史学家叫路易斯•徳布罗意,他受到研究实验物理学的哥哥的影响,改行研究物质结构。1924年,他向巴黎大学理学院递交了一篇博士论文,在论文中他提出了一种新观点,认为任何一个粒子的运动都有一种波和它伴随,并影响到粒子的运动。这种波的波长,和粒子的动量成反比。由于我们肉眼所看到的物体质量太大,用德布罗意的公式来计算波长就非常之短,观察不到这种波的影晌。可是,对于原子和分子世界中的粒子来讲,这种波的行为却很强烈。徳布罗意认为,只要承认这个假定,就可以解释如原子这类粒子的许多反常的行为。开始,大家对他的说法将信将疑,不久实验证实了徳布罗意的观点。这位新博士因此获得了诺贝尔奖。

  物理学家在探索微观世界时,经常采用的一种方法是把一束已知性质的基本粒子作为炮弹,去轰击所要研究的某种未知的基本粒子,通过观察它们之间的相互作用,来研究靶粒子的性质。在研究基本粒子的时候,为了看清它的结构,作为炮弹的基本粒子的波长,应该越短越好,或者是它们的动量越大越好;否则,由于波动的强烈干扰,很难对靶粒子作出精确的测量。可是,粒子朿的能量越大,它们就越难驯服,就是要它们转个弯也很不简单。解决的办法,只能把加速器的“跑道”弯曲的程度尽量减小,这样加速器的直径也就越来越大了。

   

  著名的意大利原子物理学家恩里科•费米,曾风趣地说过:如果人们想要制造一台能量达到宇宙射线那样的加速器,这台加速器的圆周就会大得足以套到地球的赤道上。但是,人们相信,将来利用某种新技术(如超导技术),可以使加速器的尺寸大为缩小。不过,从目前的情况来看,物理学中研究的对象越小,使用的仪器设备确实是越来越大了。


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